低压断路器过电流选择性探讨

2022-09-17李长启

现代建筑电气 2022年1期

李长启, 张念

(湖北省化学工业研究设计院, 湖北武汉 430073)

0 引言

GB 50054—2011《低压配电设计规范》中第6.1.2条规定“配电线路装设的上下级保护电器,其动作特性应具有选择性,且各级之间应能协调配合。非重要负荷的保护电器,可采用部分选择性或无选择性切断”。保护电器中的熔断器上下级的熔体额定电流只要满足1.6∶1即可保证选择性[1],熔断器与断路器的上下级选择性与断路器的各项特性有关,较难做到全选择性[2]。因断路器在设计及工程中采用较多,本文仅讨论断路器间的选择性配合。

1 基本原理及相关规定

1.1 配电箱进线应采用隔离开关

配电箱进线处的设计如图1所示。工程设计中,配电箱进线处的隔离开关经常不恰当地被断路器所替代,见图1(a)中的B处。且有些观点误认为A与B为上下级关系,经常会下意识地将A和B做成一定的级差,从而造成断路器A的值偏大,导致电缆截面加粗,造成不必要的浪费。

隔离开关比断路器有更好的隔离功能,若B处采用断路器,不仅多花投资,更主要的是劣化配电系统的保护性能,降低保护的选择性,也降低隔离功能。因为断路器是保护电器,使用的触头要保证良好的动态性能,却没有隔离开关采用夹紧式触头的吸力大、静态性能好的优势[3]。

进线箱处应采用隔离开关,图1(b)中B处仅为隔离功能,断路器A和断路器C才是上下级保护电器。GB 50054—2011《低压配电设计规范》第6.1.2条中提到的上下级保护电器的选择性配合,指的是断路器A和断路器C之间的选择性配合。

通过上述理论,并根据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》第4.0.6条规定“供配电系统应简单可靠,同一电压等级的配电级数高压不宜多于两级;低压不宜多于三级”[4],典型的三级配电示意图如图2所示,其中A、B、D、F依次为上下级关系,C和E处为隔离开关。后面的具体案例也以此种配电型式展开讨论。

1.2 隔离开关

按GB/T 14048.3—2017规定,低压开关分别称为开关、隔离器、隔离开关及与熔断器组合电器,过去采用的“刀开关”、“闸刀开关”、“负荷开关”的名词均已淘汰。另需注意,低压的隔离开关可以接通、分断正常电流,完全不同于中压(如10 kV)的隔离开关[5]。

低压的“隔离器”类似于中压的“隔离开关”,低压的“隔离开关”类似于中压的“负荷开关”。中、低压“隔离开关”对比如表1所示。

表1 中、低压“隔离开关”对比

1.3 断路器分类及参数

根据断路器的设计型式划分,断路器可分为万能式断路器、塑壳断路器、小型断路器[6-7]。

断路器按选择性分类可以分为A类和B类。A类:通常具有反时限和瞬时动作过电流脱扣器,而没有短延时过电流脱扣器的断路器,在短路条件下可通过其他方式提供选择性,称为非选择性断路器。B类:具有符合规定的额定短时耐受电流值(ICW)及相应短延时过电流脱扣器的断路器,称为选择性断路器。Iset1为长延时(反时限)脱扣电流,Iset2为短延时(定时限)脱扣电流(选择性断路器才可以整定,其值应小于Iset3),Iset3为瞬时脱扣电流。

1.4 选择性

选择性的原则是最靠近故障点的保护电器先动作,远离故障点的保护电器后动作,保证故障点的波及面最小。文献[6-7]中提到的过电流选择性,可以分为全选择性和局部选择性,其中局部选择性是指在一定的过电流值以下时负载侧保护电器动作,而另一台保护电器不动作。为了实现选择性,一般的技术措施有以下四种:

(1) 基于电流的选择。

(2) 基于时间的选择:时间级差按0.1～0.2 s考虑,同时要求上级短延时整定值为下级瞬动的1.3倍,以保证选择性的可靠性。由于时间的增加,对断路器的热稳定(耐受能力)提出更高的要求,同时到变压器时其时间较长。但同时也应考虑高压侧的延时时间受市政条件影响,故不能随意设置低压侧的短延时时间,需综合考虑。

(3) 能量选择:其原理是需要较大能量才能分断的断路器需要的时间长,需要较小能量就可以分断的断路器需要的时间短。这种断路器采用的是双旋转触头系统(双断点),一般称为限流断路器。目前施耐德的Compact NSX塑壳断路器、西门子3VA2型塑壳断路器,只要上下级额定电流比达到2.5∶1,就具有较好的选择性。常熟开关制造有限公司的CM5新型系列塑壳断路器也具有能量选择功能。

(4) ZSI区域连锁选择:上下级有逻辑连锁,可以保证全选择性,但造价极高,同时有信号线很繁琐,所以工程应用极少。

2 工程实例分析

某工业项目配电系统接线图如图3所示。本文具体分析断路器之间的选择性配合。在总变电所内为一级配电(PD1),车间设置的配电室为二级配电(PD2),末端照明(动力)配电箱为三级配电(PD3)。假定A和B为选择性断路器,D和F为非选择性断路器。

2.1 非选择性断路器之间的选择性(D和F)

假定断路器D和断路器F瞬时脱扣电流Iset3均为其反时限脱扣电流Iset1的10倍。当断路器F后发生故障(短路或接地故障)时,接地故障电流为IdF。此时Iset1F=16 A,Iset3F=160 A,Iset1D=50 A,Iset3D=500 A。

(1) 当故障电流<1.3Iset3F(208 A)时,断路器D、断路器F均无法动作,不符合故障保护要求,是不允许脱扣的。

(2) 当1.3Iset3F

(3) 当故障电流IdF>Iset3D(500 A)时,断路器D、断路器F均瞬时动作,没有选择性。

断路器长延时脱扣电流值一般为1.25倍,考虑到断路器15%的制造误差,若断路器只差别一个等级,就算长延时也有可能无法保证。故建议2台断路器的长延时脱扣值要至少1.6倍才有选择性,同时也应注意上下两级断路器的瞬动脱扣值配合。比如下级为D16A的断路器(瞬动值为160～320 A),上级为C25A断路器(瞬动值125～250 A),上级断路器宜提升一级。

非选择性断路器之间一般只能保证某一区间的局部选择性。两者级差越大,局部选择性的区域范围也越大。但增加级差致使上级断路器长延时脱扣整定电流Iset1较大,从而引起电缆截面的增加。

值得注意的是,灵敏性和选择性是相悖的两个方向,不能兼顾。对于断路器D,为了保证灵敏性,其1.3Iset3D需要小于末端短路时的短路电流,Iset3D取值宜偏小;但为了保证与断路器F之间的局部选择性,Iset3D取值宜偏大。

2.2 选择性断路器和非选择性断路器之间的选择性(B和D)

设定断路器BIset1B=200 A。因其为选择性断路器,需正确整定其参数。

(1) 应满足Iset2B>1.3Iset3D=650 A,1.3倍是考虑脱扣器的动作误差,是保证全选择性的必要条件。

(2) 同时Iset2B还需要躲过短时间出现的负荷尖峰电流(根据母排后所带最大一台电动机起动电流计算,假设为800 A),则最终Iset2B需取其较大值为800 A。

为了保证断路器B与A之间的时间选择性,断路器B的短延时时间不宜取太大。对于塑壳断路器,一般厂家目前为0.06 s、0.10 s、0.20 s、0.30 s四个时间档位,为保证时间级差,建议选0.10 s。为了避免断路器D后短路故障时引起断路器B瞬时脱扣,应尽量使Iset3B大于断路器D处的接地故障电流。故在设计时,建议尽量把Iset3B设置到最大。

选择性断路器和非选择性断路器之间具有较好的选择性,但应注意需正确整定其参数(短延时脱扣电流、短延时脱扣时间、瞬时脱扣电流)。

2.3 选择性断路器之间的选择性(A和B)

断路器A为变压器出线处主断路器,Iset1A按配电变压器低压侧额定电流(1 443 A)确定,取1 450 A。Iset2A应大于1.3Iset3B=2 600 A;同时Iset2A还需要躲过短时间出现的负荷尖峰电流(根据母排后所带最大一台电动机起动电流计算,假设为2 200 A),则最终Iset2A需取其较大值为2 600 A。

断路器A为万能式断路器,厂家的短延时时间一般为0.1 s、0.2 s、0.3 s、0.4 s四个时间档位,为保证断路器A和断路器B在时间上的级差,建议总断路器A处取较大值0.4s。值得注意的是,若总变电所内2台变压器后母排采用母联断路器,母联断路器的短延时整定时间应比断路器A的整定时间小0.1～0.2 s,建议可取0.2 s或0.3 s。此时需注意断路器B的短延时时间需小于母联断路器的短延时时间。

目前有厂家可以通过试验做到万能式断路器与塑壳断路器之间为全选择性配合,但在实际设计时,考虑到断路器B和断路器A之间很近(在同一组低压柜内),当断路器B后近端短路时故障电流会比较大,故建议将Iset3A闭锁掉,此时可以满足断路器A和断路器B之间的全选择性。